粘膠纖維在啤酒過濾中的應(yīng)用

粘膠纖維和纖維素等纖維狀的助濾劑，在啤酒澄清過程中與硅藻土或珍珠巖相比有很大的差異，它們?cè)陬A(yù)涂過程中可以在載體上形成可壓縮的濾餅。濾餅的滲透性及孔隙度在過濾過程中的差異主要由濾餅的壓縮狀況所決定。新研發(fā)的纖維狀助濾劑用于啤酒過濾工藝正是基于這一特性。

縱觀全球，啤酒主要采用預(yù)涂過濾工藝來完成啤酒的澄清過濾，并在過濾過程中應(yīng)用硅藻土作為助濾劑。硅藻土具有多方面的優(yōu)勢(shì)，但其一些缺陷也不可忽略，尤其在廢物處置方面的缺陷。多年來，釀酒企業(yè)、科研機(jī)構(gòu)及供貨商一直在尋找硅藻土的替代物。

許多文獻(xiàn)已刊登了啤酒過濾的歷史演變進(jìn)程及為研發(fā)不同的替代物所進(jìn)行的科研及工業(yè)活動(dòng)，但未來的方向仍不太明朗。近年來在這方面也做了各種努力，其中就包含用纖維素作為可替代的助濾劑所進(jìn)行的科研活動(dòng)。就可壓縮的助濾劑方面所進(jìn)行的深入研究一直未停止。應(yīng)用纖維素作為助濾劑所采用的各種不同方法得出的結(jié)論總體來說呈現(xiàn)出積極的一面，但是它們也均體現(xiàn)一共性：它們無法同時(shí)在過濾工藝、技術(shù)及成本方面達(dá)成一致。相反，一些文獻(xiàn)資料已經(jīng)證實(shí)：當(dāng)可壓縮的濾餅形成時(shí)，保持恒定的流速不能產(chǎn)生令人滿意的結(jié)果。

粘膠纖維是一種人造絲狀物，它由再生纖維素制成，是一種合成纖維，其成分100%來自天然纖維素。由木質(zhì)紙漿制成的粘膠纖維通常情況下通過多段工藝制成。第一階段是天然纖維素的化學(xué)分離，以此獲得適合濕紡（濕紡是化學(xué)纖維溶液紡絲法的一種。化纖和人造纖維制造工程中，紡絲溶液由紡絲泵壓入噴絲頭，然后，以細(xì)流形式從噴絲頭細(xì)孔中噴入凝固浴中，凝固成為纖維絲）的溶液。然后該溶液通過噴絲器壓入一酸槽中，在該酸槽中，100%可再生的纖維素制成絲狀纖維。

表1：本次科研中應(yīng)用的粘膠纖維

絲狀纖維在后續(xù)操作中拉伸、沖洗、切割、干燥，以獲得成品粘膠纖維。最終，粘膠工藝從木質(zhì)紙漿中將纖維素轉(zhuǎn)換成形狀可量身定制的可再生纖維素（見圖1）。隨著粘膠纖維長度、細(xì)度、橫截面及表面狀況所受到的不同影響，粘膠纖維的結(jié)構(gòu)和特性發(fā)生明顯的變化。粘膠纖維還有其它方面的優(yōu)勢(shì)：可完全生物降解。它們不可能對(duì)人類造成危害。

圖1.從 3.3 dtex（Danufil，Galaxy）至 9.0 dtex（Leonardo）各種橫截面的微觀影像

本次科研中應(yīng)用的粘膠纖維羅列在表1中，所有這些粘膠纖維都由德國凱爾海姆Kelheim纖維制品有限公司生產(chǎn)，并將其名字注冊(cè)為商標(biāo)。粘膠纖維主要特性包括形狀、纖維長度和絲纖度。長度是纖維離子分布（q0）名義上的平均值.縱向的“絲纖度”尺寸在纖維制造工業(yè)通常被直徑所替代。絲纖度單位定義為1絲纖度=1g/104纖維。像硅藻土或纖維素一樣，溶膠纖維在應(yīng)用前先簡單地分散在配量裝置中。

與硅藻土和珍珠巖相比，纖維狀助濾劑可形成一個(gè)可壓縮的濾餅。壓縮度的大小對(duì)濾餅的滲透性和孔隙度有影響，因此也對(duì)啤酒過濾過程中的濁度和流速有影響。當(dāng)改變流速時(shí)，就會(huì)壓縮濾餅（見圖2所示）。纖維的形狀、長度和凝固點(diǎn)對(duì)所形成的濾餅的壓縮度起著重要作用。圖3表明選用不同的纖維會(huì)獲得不同的壓縮度。

圖2.粘膠纖維（如Leonardo）兩種不同壓縮狀態(tài)所形成的濾餅

進(jìn)一步的測(cè)試表明：啤酒的濁度和濾餅的壓縮度之間存在著一定的關(guān)系。濾餅壓縮度越高的纖維，啤酒的濁度越低，同樣也降低了啤酒的流速。濾餅壓縮度越低的纖維，在啤酒流速增高時(shí)，啤酒濁度隨之增高。

當(dāng)選用適度壓縮的濾餅時(shí)，可通過控制濾餅的壓縮度來控制濾餅的滲透性和孔隙度。通過多種測(cè)試表明：不同纖維的混合使用尤其適合模擬這種壓縮性。

圖3.粘膠纖維特性對(duì)濾餅壓縮度的影響

不同纖維混合使用的特性正是新型啤酒過濾工藝控制過程的基礎(chǔ)（見圖4）。通過濾液的循環(huán)流動(dòng)返回到過濾器的入口端，濾餅中的流速可通過控制過濾器入口端和出口端的流量單獨(dú)控制。酒液循環(huán)流量越高，濾餅壓縮度越高。啤酒濁度可作為控制粘膠纖維壓縮度的一個(gè)參考值。當(dāng)所測(cè)定的濁度值升高時(shí)，可通過加快循環(huán)量來加大濾餅的壓縮度直至啤酒濁度值再次下降下來為止。當(dāng)所測(cè)定的濁度值處在想要的濁度范圍內(nèi)時(shí)，濾餅的壓縮保持不變。過濾器入口端和出口端間的壓差可用作參考值。

圖4.應(yīng)用粘膠纖維循環(huán)流動(dòng)原理進(jìn)行的深度過濾示意圖

在大量的測(cè)試序列中，需對(duì)桶式過濾器不斷修復(fù)，為獲得相同的預(yù)涂效果創(chuàng)造理想的先決條件。同時(shí)要確保在桶式過濾器中沉淀的濾餅厚度的一致性。圖5顯示了最初預(yù)涂過程中兩個(gè)不同的剖面。左側(cè)的剖面顯示了桶式過濾器表面濾餅從頂部到底部的形成過程。右側(cè)的剖面顯示了預(yù)涂后對(duì)稱的濾餅。

試驗(yàn)系統(tǒng)中所進(jìn)行的過濾過程見圖6所示。伴隨著預(yù)涂過濾的進(jìn)行，濾餅由于濾液循環(huán)流速的明顯提高承載負(fù)荷加大。雖然如此，在啤酒濁度可接受的情況下，此時(shí)仍未達(dá)到所想要的壓降范圍。伴隨著啤酒過濾的進(jìn)行，啤酒中的固體物含量使壓差快速增大。啤酒濁度值升高直至達(dá)到理想的壓縮狀況。若壓差上升速度太快，可通過降低啤酒的循環(huán)流量來控制。隨著過濾的推進(jìn)，濾餅助力增大，此時(shí)應(yīng)降低啤酒的流量。

圖5：桶式過濾器最初預(yù)涂過程中的剖面圖

圖6.應(yīng)用粘膠纖維GA30進(jìn)行的過濾示意圖，過濾器入口端的酵母細(xì)胞數(shù)量為5×106個(gè)/ml

若生產(chǎn)時(shí)間達(dá)10小時(shí)，在一系列測(cè)試序列中均可獲得想要的濁度值。

在德國柏林工業(yè)大學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的啤酒質(zhì)量分析見表2所示。與常規(guī)的用硅藻土作為助濾劑過濾的啤酒相比，所進(jìn)行的啤酒分析沒顯現(xiàn)出任何差異。在用25°和90°濁度儀分析時(shí)，它可能低于基準(zhǔn)值0.2 EBC和1.0 EBC濁度單位。在粘膠纖維過濾的啤酒中，沒發(fā)現(xiàn)任何酵母細(xì)胞，也沒有其它任何殘留物或纖維物質(zhì)存在。

啤酒質(zhì)量分析結(jié)果也表明：在啤酒過濾中，應(yīng)用粘膠纖維與應(yīng)用硅藻土作為助濾劑相比，離子尤其是銅離子值明顯降低。應(yīng)用粘膠纖維作為助濾劑可降低啤酒中離子和銅離子含量，因此可改善啤酒口味的穩(wěn)定性。應(yīng)用纖維素，可避免像硅藻土作為助濾劑那樣存在引入離子的缺陷。

2：分別應(yīng)用硅藻土與粘膠纖維過濾得到的濾液與過濾器入口端啤酒分析

系列結(jié)果清楚表明,已經(jīng)研發(fā)出一種可控制啤酒澄清過濾的新型工藝，尤其是不同的纖維類型、不同的形狀及長度，濾餅顯現(xiàn)出不同的壓縮度。濾餅的可壓縮性與啤酒想要的濁度間具有一定的函數(shù)關(guān)系，可根據(jù)需要進(jìn)行控制。清酒口味的穩(wěn)定性明顯提高，因?yàn)槔w維不會(huì)引入任何離子。由于纖維的固有特性，粘膠纖維非常適合穩(wěn)定的啤酒過濾。因此可以說：在未來它可以在預(yù)涂過濾中作為一種可替代的助濾劑。粘膠纖維由可持續(xù)發(fā)展的、天然聚合纖維素制成，完全可以生物降解，不會(huì)造成任何健康危險(xiǎn)，易于操作和處置。

由于粘膠纖維非常成功地適用于預(yù)涂過濾，可以預(yù)料釀酒商可以像過濾工藝的操作人員一樣繼續(xù)使用他們現(xiàn)有的桶式過濾器而不會(huì)在技術(shù)上投入太多。采用粘膠纖維進(jìn)行啤酒預(yù)涂過濾因此會(huì)在不久的將來成為一種可替代的有效的助濾劑。